Introductie
Deze maand, drie wetenschappers wonnen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun werk dat een van de meest contra-intuïtieve maar toch consequente realiteiten van de kwantumwereld bewijst. Ze toonden aan dat twee verstrengelde kwantumdeeltjes als één systeem moeten worden beschouwd – hun toestanden zijn onverbiddelijk met elkaar verweven – zelfs als de deeltjes over grote afstanden van elkaar gescheiden zijn. In de praktijk betekent dit fenomeen van ‘non-lokaliteit’ dat het systeem dat je voor je hebt, onmiddellijk kan worden beïnvloed door iets dat zich duizenden kilometers verderop bevindt.
Verstrengeling en non-lokaliteit stellen computerwetenschappers in staat onkraakbare codes te creëren. Bij een techniek die bekend staat als apparaat-onafhankelijke kwantumsleuteldistributie, worden een paar deeltjes verstrengeld en vervolgens onder twee mensen verdeeld. De gedeelde eigenschappen van de deeltjes kunnen nu dienen als een code, een code die de communicatie veilig houdt, zelfs voor kwantumcomputers – machines die in staat zijn klassieke encryptietechnieken te doorbreken.
Maar waarom stoppen bij twee deeltjes? In theorie bestaat er geen bovengrens voor het aantal deeltjes dat een verstrengelde toestand kan delen. Decennia lang hebben theoretische natuurkundigen zich drieweg-, vierweg- en zelfs honderdweg-kwantumverbindingen voorgesteld – het soort dingen dat een volledig gedistribueerd, kwantumbeschermd internet mogelijk zou maken. Nu heeft een laboratorium in China een schijnbaar niet-lokale verstrengeling tussen drie deeltjes tegelijk bereikt, waardoor de kracht van kwantumcryptografie en de mogelijkheden voor kwantumnetwerken in het algemeen mogelijk worden vergroot.
“Tweepartijen-non-lokaliteit is al gek genoeg”, zei hij Peter Bierhorst, een kwantuminformatietheoreticus aan de Universiteit van New Orleans. “Maar het blijkt dat de kwantummechanica dingen kan doen die zelfs verder gaan als je drie partijen hebt.”
Natuurkundigen hebben al meer dan twee deeltjes met elkaar verstrengeld. Het record bevindt zich ergens tussenin 14 deeltjes en 15 biljoen, afhankelijk van wie je het vraagt. Maar deze bevonden zich slechts over korte afstanden, hoogstens enkele centimeters uit elkaar. Om verstrengeling tussen meerdere partijen nuttig te maken voor cryptografie, moeten wetenschappers verder gaan dan eenvoudige verstrengeling en non-lokaliteit aantonen – “een hoge lat om te bereiken”, aldus Eli Wolfe, een kwantumtheoreticus aan het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Canada.
De sleutel tot het bewijzen van non-lokaliteit is het testen of de eigenschappen van het ene deeltje overeenkomen met de eigenschappen van het andere deeltje – het kenmerk van verstrengeling – als ze eenmaal ver genoeg uit elkaar staan zodat niets anders de effecten kan veroorzaken. Een deeltje dat zich fysiek nog steeds dicht bij zijn verstrengelde tweelingbroer bevindt, kan bijvoorbeeld straling uitzenden die de ander beïnvloedt. Maar als ze anderhalve kilometer uit elkaar liggen en vrijwel onmiddellijk worden gemeten, zijn ze waarschijnlijk alleen door verstrengeling met elkaar verbonden. De onderzoekers gebruiken een reeks vergelijkingen genaamd Bel ongelijkheden om alle andere verklaringen voor de gekoppelde eigenschappen van de deeltjes uit te sluiten.
Met drie deeltjes is het proces van het bewijzen van non-lokaliteit vergelijkbaar, maar er zijn meer mogelijkheden om uit te sluiten. Dit vergroot de complexiteit van zowel de metingen als de wiskundige hoepels waar de wetenschappers doorheen moeten springen om de niet-lokale relatie tussen de drie deeltjes te bewijzen. “Je moet een creatieve manier bedenken om het te benaderen”, zei Bierhorst – en over de technologie beschikken om precies de juiste omstandigheden in het laboratorium te creëren.
Uit de in augustus gepubliceerde resultaten blijkt dat een team in Hefei, China, een cruciale sprong voorwaarts heeft gemaakt. Ten eerste door lasers door een speciaal soort kristal te schieten verward drie fotonen en plaatste ze in verschillende delen van de onderzoeksfaciliteit, honderden meters uit elkaar. Vervolgens maten ze tegelijkertijd een willekeurige eigenschap van elk foton. De onderzoekers analyseerden de metingen en ontdekten dat de relatie tussen de drie deeltjes het beste kon worden verklaard door drieweg-kwantum-non-lokaliteit. Het was de meest uitgebreide demonstratie van driezijdige non-lokaliteit tot nu toe.
Technisch gezien blijft er een kleine kans bestaan dat iets anders de resultaten heeft veroorzaakt. “We hebben nog steeds een aantal open mazen in de wet”, zegt hij Xuemei Gu, een van de hoofdauteurs van het onderzoek. Maar door de deeltjes te scheiden, konden ze de meest opvallende alternatieve verklaring voor hun gegevens uitsluiten: fysieke nabijheid.
De auteurs baseerden hun experiment ook op een nieuw, strengere definitie van de driezijdige non-lokaliteit die de afgelopen jaren steeds meer terrein heeft gewonnen. Terwijl experimenten uit het verleden samenwerking mogelijk maakten tussen de apparaten die de fotonen maten, konden de drie apparaten van Gu niet communiceren. In plaats daarvan voerden ze willekeurige metingen van de deeltjes uit – een beperking die nuttig zou zijn in cryptografische scenario’s waarin elke communicatie kan worden aangetast, zei Renato Renner, een kwantumfysicus aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich. (Met behulp van het oudere paradigma, een Canadees team gedemonstreerd drieweg non-lokaliteit op afstand in 2014.)
Nu onderzoekers die de nieuwe definitie volgen met succes deeltjes zo ver uit elkaar hebben verstrengeld, kunnen ze zich concentreren op het nog verder vergroten van de afstand.
“Het is een belangrijke opstap naar het uitvoeren van experimenten op grotere afstand, op grotere schaal”, zegt hij Saikat Guha, een kwantuminformatietheoreticus aan de Universiteit van Arizona.
Het meest direct kan deze technologie een uitgebreidere kwantumsleuteldistributie mogelijk maken, zei Renner. Als je verstrengelde deeltjes gebruikt als sleutel tot encryptie, kunnen dezelfde Bell-ongelijkheden die natuurkundigen gebruiken om te testen op niet-lokaliteit ervoor zorgen dat je geheim volledig veilig is. Zelfs als het apparaat dat u gebruikt om een bericht te verzenden of te ontvangen kwaadwillig wordt gemanipuleerd door uw ergste vijand, zullen zij uw kwantumsleutel niet kunnen bepalen. Die geheimen blijven tussen jou en degene die het andere verstrikte deeltje heeft.
Introductie
Kwantumsleuteldistributie is “waar mensen enthousiast over zijn”, zei Renner. Afgelopen jaar, drie afzonderlijke groepen demonstreerde het protocol in het laboratorium, zij het nog op kleine schaal. Daarom zal driezijdige non-lokaliteit zo belangrijk zijn. “Je hebt in principe veel meer cryptografische kracht”, omdat deze driewegverbindingen niet kunnen worden gesimuleerd door een paar tweewegverbindingen aan elkaar te plakken.
“Het is een fundamenteel nieuw niveau van verschijnselen,” zei Bierhorst, een niveau dat apparaatonafhankelijke cryptografie zou kunnen uitbreiden van eenvoudige tweerichtingscommunicatie naar een heel netwerk van geheimdelers.
Naast cryptografie opent de verstrengeling van meerdere partijen ook mogelijkheden voor andere soorten kwantumnetwerken. Onderzoekers als Guha werken aan een kwantum internet, die kwantumcomputers met elkaar zou kunnen verbinden zoals het reguliere internet gewone apparaten met elkaar verbindt. Dit systeem zou de rekenkracht van veel kwantumapparaten samenbrengen door miljoenen deeltjes met verschillende niveaus van verstrengeling over verschillende afstanden met elkaar te verbinden. We hebben alle individuele bouwstenen voor een dergelijk systeem, zei Guha, maar het in elkaar zetten ervan “is een enorme, enorme technische uitdaging.” Met dit doel voor ogen hebben wetenschappers in Nederland dat gedaan geslaagd in het verstrengelen van drie deeltjes in een netwerk dat twee afzonderlijke laboratoria omvat – hoewel ze, in tegenstelling tot het team van Gu, niet gericht waren op het aantonen van non-lokaliteit.
Dit onderzoek naar driewegverstrengeling begon als ‘slechts een interessant fenomeen’, zei Bierhorst. Maar “als je iets hebt dat de kwantummechanica kan doen en wat anders onmogelijk is, zal dat allerlei nieuwe technologische mogelijkheden openen die op onvoorziene manieren kunnen worden benut.”
Voorlopig hebben enkele laboratoria vierweg-non-lokaliteit aangetoond tussen deeltjes die heel dicht bij elkaar staan. “Deze experimenten zijn op dit moment behoorlijk speculatief. Je moet veel aannames doen”, aldus Bierhorst.
De driewegexperimenten zijn ook nog steeds afhankelijk van enkele aannames. De Nobelprijswinnaars hebben een halve eeuw besteed aan het uitsluiten van deze mazen in hun tweerichtingsexperimenten, en slaagden daar uiteindelijk in 2017. Maar sindsdien hebben we technologisch een lange weg afgelegd, zei Renner.
‘Wat tientallen jaren daarvoor duurde, zal nu over een jaar of zo gebeuren’, zei hij.
